[发明专利]燃料电池动力系统中的预测性阴极压缩机速度控制

说明书

技术领域

本发明概括地涉及控制交通工具燃料电池系统中的反应剂传递，并更具体地涉及用于预测性地控制用于传递反应剂到系统中的燃料电池的压缩机的操作速度的系统和方法。

背景技术

燃料电池是使用汽油或相关的基于石油的能源作为交通工具推进系统中的主要能量源的一种替代方式。具体地，通过在燃料电池内组合电化学反应中的反应剂，可生成电流并且该电流可用于为马达供能或执行其他的有用功。在一种形式中，由电流供能的马达可推进交通工具，单独地或者与基于石油的燃烧发动机联合地。

在典型的燃料电池中，氢气或另一反应剂气体被供应到燃料电池的阳极，同时基于氧气的反应剂（例如，周围的空气）被供应到燃料电池的阴极。氢气被催化地分解成电子和带正电的离子，使得将阳极和阴极分开的电解质层允许离子穿过并到达阴极而阻止电子这样做。相反，电子被引导绕过电解质层通过负载并回到阴极，这允许电能被利用。在阴极，离子、电子和所供应的氧气或空气通常被组合以产生水和热。在汽车应用中，单独的燃料电池可被串联或并联布置为燃料电池堆从而产生更高的电压或电流产出。而且，通过组合多于一个的堆可实现更高的产出。

为了改善反应剂气体的传递，经常使用加压源。例如，被传递到燃料电池系统的阴极侧的空气经常借助压缩机，在这种情况下，辅助装备——例如阀、控制器等——被用于调节在压缩机和燃料电池之间的空气流。这种压缩机的固有属性（至少在它们与阴极侧操作相关时）是阴极的压力控制和流量控制是耦合在一起的。如此，稳定的操作可经常通过前馈控制来最佳地实现，在这种情况下基于正被调节的压缩机的已知操作特征的数学模型（或相关算法）的命令信号被发送到该压缩机以影响其内的变化。

尽管压缩机的基于前馈的控制策略具有优点，但是某些操作条件可能损害命令信号的准确性。这在瞬变期间尤其严重，因为在阴极流量和压力设置点中的改变以及较慢的响应时间可导致对所需要的压缩机速度的不准确的预测。压缩机速度和阴极所需的反应剂流的量之间的不匹配进而可导致延长的不适宜的阴极化学当量比，这进而可导致过度的阴极干燥和对阴极的相关损害。如此，控制系统调节用于传递反应剂气体到交通工具燃料电池系统的电极的压缩机的瞬态操作条件仍是挑战性的。

发明内容

根据本发明的一方面，公开了预测性控制被用于传递反应剂到燃料电池系统的压缩机的速度的方法。在一种特定的形式中，该方法包括构造或以其它方式操作控制器以发送前馈速度控制信号给压缩机以快速地调节对于向上瞬变和向下瞬变的堆流。在优选的形式中，该方法可被具体化在算法或相关的数学模型中，该算法或模型包括确定最优的阴极化学当量比并基于燃料电池系统的操作点中的每一个的加湿要求而操作压力设置点，此后包括层流和湍流元素的压降模型被与这些设置点联合使用以计算压缩机出口压力设置点。这个计算的信息，以及关于环境压力和温度条件以及流量设置点的知识，要经历递归模型或算法以确定在期望燃料电池系统操作点处的未来压缩机操作条件。可包含在这些未来压缩机操作条件中的量是使用焓混合模型和估计压缩机绝热效率的预测压缩机进口压力、未来压缩机再循环阀流量、所要求的压缩机总流量和预测稳态压缩机进口和出口温度。这些预测条件此后被用于基于已知的操作条件确定压缩机的前馈物理速度。在一个优选的形式中，这些已知的操作特征与制造商的压缩机图是一致的（或从其得到），使得对应那些条件的数据可被以传统的机器可读形式存放，例如通过查询表等。前馈速度被用于将压缩机速度控制偏置到该系统的期望操作点。在一个形式中，上面的预测压缩机速度控制被通过计算机可读的指令实施。

根据本发明的另一方面，公开了响应于操作瞬变传递反应剂到燃料电池堆的方法。在目前的上下文中，操作瞬变包括燃料电池堆的操作中的要求压缩机的一个或多个操作条件改变的事件。因此，向上瞬变（其中，压缩机可被要求传递更多的空气或相关的反应剂到燃料电池堆的阴极侧）和向下瞬变（其中，压缩机可被要求传递更少的空气或相关反应剂到燃料电池堆的阴极侧）将构成操作瞬变。该方法包括构造控制器以接收燃料电池堆数据和压缩机数据，在这种情况下从这两个来源所接收的数据对应操作瞬变。该方法还包括使用控制器来使用所接收的数据确定压缩机出口压力设置点，以及确定在期望燃料电池堆操作点处的一个或多个压缩机操作条件。而且，该方法包括使用控制器基于压缩机操作条件，以及利用压缩机操作数据（这可，在一个形式中，来自压缩机图或者其它合适的用于协调压缩机的性能特征的装置）确定前馈压缩机速度，和通过控制器传递前馈压缩机速度控制信号到压缩机以调节压缩机的速度。